核聚变反应堆、快中子增殖反应堆和太阳能热电厂作为低环境影响和无资源限制的电厂正在得到发展。由于这些发电厂在高温下运行，传热量大，科学家们正在研究使用液态金属(具有优异的传热性能)作为冷却剂的组件。
液态金属包层(安装在堆芯上的金属壁)和液态金属导流器(接收热量并排出废气)是核聚变反应堆中最重要的部件之一，作为创新的能量转换装置备受关注。然而，选择与高温液态金属化学相容的结构材料一直是一个挑战。
东京工业大学副教授近藤正敏(Masatoshi Kondo)以液态金属冷却剂为研究对象，利用先进的结构材料对其耐化学腐蚀性能进行了研究。他发现，腐蚀的原因是金属成分从与液态金属接触的材料中浸出，以及液态金属和钢铁材料的合金化。
他发现，通过在液态金属部件的结构材料表面形成致密的保护氧化层，可以显著减少腐蚀。形成稳定的保护氧化层以抑制这种腐蚀是使液态金属基组件成为现实的关键。这项研究发表在《表面与涂层技术》杂志上。
由Kondo领导的联合研究小组与横滨国立大学和国立聚变科学研究所合作，重点研究了氧化物分散强化(ODS) FeCrAl合金形成由致密结构组成的α-Al2O3 (α氧化铝)层的事实，并确定了促进层生长的因素和使层抵抗从基体上脱落的机制。
α-Al2O3层在高温液态金属环境中提供出色的保护。ODS Fe15Cr7Al合金具有优异的高温强度，是下一代电厂的强大潜在结构材料。
合金可在空气中1000℃氧化10小时，形成α-Al2O3层。图1为ODS Fe15Cr7Al合金上形成的α-Al2O3层的横截面显微镜图像及其组成元素的分布。虽然它的厚度只有1.28微米，约为人类头发厚度的1/80，但它的结构非常紧凑，铝和氧分布均匀，如图1(b)所示。
同时，研究小组发现α-Al2O3层中形成了Ti、Y、Zr等活性元素的氧化物，如图1(c)所示。这是因为ODS Fe15Cr7Al合金的活性元素在其微观结构中分散为微小的氧化物颗粒，并迁移到层中形成氧化物。
对比几种类型的FeCrAl合金形成的氧化层的显微组织和生长速度，发现不含活性元素的合金在层内不形成这些氧化物，其层生长缓慢。这些值得信赖活性元素的氮化氧化物起“氧-o”的作用只有扩散路径”，促进层生长和改善势垒性能(图2)。
保护层必须能抵抗剥落。在这项研究中，研究小组对ODS-FeCrAl合金上形成的α-Al2O3层进行了划痕测试，以测量用尖针划伤和剥离该层所需的力的大小。结果表明，ODS-FeCrAl合金具有优异的粘接性能。
α-Al2O3层抗剥落的机理如图2所示。首先，从衬底向层形成的活性元素的氧化物紧紧抓住层的微观结构，就像用来固定帐篷的钉子一样，并有助于提高附着力。这就是所谓的挂钩效应。
α-Al之间形成了不稳定的壶状结构界面2O3如图3(a)所示，随着层的厚度增加，该凹形界面的深度也随之加深。此外，如图3(b)所示，锯齿状界面越深，α-Al剥离所需的剪切应力越大2O3层，即stro提高层的附着力。
在上述氧扩散路径的模式中，层的生长以一种适度不均匀的方式促进，导致更深的锯齿界面和强锚定效应。通过溶液形成氧化物和其他层的方法也有，但与这些方法相比，本研究形成的层具有更强的附着力，结构致密，可以承受液态金属的流动。
紧凑、耐剥离屏障技术的发展为延长液体金属部件(如液体包层和分流器)的使用寿命提供了广阔的前景。在核聚变反应堆等先进的发电站和海水淡化、环境净化技术中应用液态金属技术，有望推动碳中性社会的建立。
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希望本篇文章《研究核聚变反应堆保护层的抗剥落机制》能对你有所帮助！
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